最大氣泡法測表面張力實(shí)驗(yàn)報告

1、* *最大氣泡法測定溶液的表面張力【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、掌握最大泡壓法測定表面張力的原理，了解影響表面張力測定的因素。2、了解彎曲液面下產(chǎn)生附加壓力的本質(zhì)，熟悉拉普拉斯方程，吉布斯吸附等溫式，了解蘭 格繆爾單分子層吸附公式的應(yīng)用。3、測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力，計算飽和吸附量，由表面張力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求正1醇分子的截面積及吸附層的厚度。【實(shí)驗(yàn)原理】1、表面張力的產(chǎn)生純液體和其蒸氣組成的體系體相分子：自由移動不消耗功。 表面分子：液體有自動收縮表面而呈球形的趨勢。要使液體表面積增大就必須要反抗分子的內(nèi)向力而作功以增加分子位能。所以分子在表面層比在液體內(nèi)部有較大的位能，這位能就是表面自由能。W= g

2、A如果AA為1m 2,則-W '= b是在恒溫恒壓下形成1m 2新表面所需的可逆功， 所以稱為比表面吉布斯自由能，其單位為J m-2。也可將°看作為作用在界面上每單位長度邊緣上的力，稱為表面張力，其單位是N m-1。液體單位表面的表面能和它的表面張力在數(shù)值上是相 等的。2、彎曲液面下的附加壓力(1)在任何兩相界面處都存在表面張力。表面張力的方向是與界面相切，垂直作用于某一邊界，方向指向使表面積縮小的一側(cè)。(2)液體的表面張力與溫度有關(guān)，溫度愈高，表面張力愈小。到達(dá)臨界溫度時，液體與氣體不分，表面張力趨近于零。(3)液體的表面張力與液體的純度有關(guān)。在純凈的液體(溶劑)中如果摻進(jìn)

3、雜質(zhì)(溶質(zhì))表面張力就要發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的本性和加入量的多少。(4)由于表面張力的存在，產(chǎn)生很多特殊界面現(xiàn)象。3、毛細(xì)現(xiàn)象(1)由于表面張力的作用，彎曲表面下的液體或氣體與在平面下情況不同，前者受到附加 的壓力。(2)如果液面是水平的，則表面張力也是水平的，平衡時，沿周界的表面張力互相抵消，此時液體表面內(nèi)外壓力相等，且等于表面上的外壓力Po。(3)若液面是彎曲的，平衡時表面張力將產(chǎn)生一合力Ps,而使彎曲液面下的液體所受實(shí)際壓力與Po不同。(4)當(dāng)液面為凹形時，合力指向液體外部，液面下的液體受到的實(shí)際壓力為P' = Po - Ps(5)當(dāng)液面為凸形時，合力指向液體內(nèi)部，液

4、面下的液體受到的實(shí)際壓力為P' = Po +Ps 。(6)這一合力Ps,即為彎曲表面受到的附加壓力，附加壓力的方向總是指向曲率中心。(7)附加壓力與表面張力的關(guān)系用拉普拉斯方程表不：Ps=2 0/ R式中(T為表面張力，R為彎曲表面的曲率半徑， 該公式是拉普拉斯方程的特殊式，適用于當(dāng)彎曲表面剛好為半球形的情況。4、最大泡壓法測定溶液的表面張力毛細(xì)現(xiàn)象則是彎曲液面下具有附加壓力的直接結(jié)果。假設(shè)溶液在毛細(xì)管表面完全潤濕，且液面為半球形，則由拉普拉斯方程以及毛細(xì)管中升高(或降低)的液柱高度所產(chǎn)生的壓力P= gh ,通過測量液柱高度即可求出液體的表面張力。這就是毛細(xì)管上升法測定溶液表面張力的原

5、理。此方法要求管壁能被液體完全潤濕，且液面呈半球形。5、溶液中的表面吸附 (1)實(shí)際上，最大泡壓法測定溶液的表面張力是毛細(xì)管上升法的一個逆過程。將待測表面張力的液體裝于表面張力儀中，使毛細(xì)管的端面與液面相切，由于毛細(xì)現(xiàn)象液面即沿毛細(xì)管上升，打開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，系統(tǒng)減壓，毛細(xì)管內(nèi)液面上受到一個比表面張力儀瓶中液面上(即系統(tǒng))大的壓力，當(dāng)此壓力差一一附加壓力(Ap = p大氣一p系統(tǒng))在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細(xì)管口液體的表面張力時，氣泡就從毛細(xì)管口脫出，此附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑成反比，其關(guān)系式為拉普拉斯公式：A P=2 & R(2)如果毛細(xì)管半徑很小，則

6、形成的氣泡基本上是球形的。當(dāng)氣泡開始形成時，表面幾乎是平的，這時曲率半徑最大；隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成半球形，這時曲率半徑R和毛細(xì)管半徑r相等，曲率半徑達(dá)最小值， 根據(jù)上式這時附加壓力達(dá)最大值，氣泡R = r時的最大附加進(jìn)一步長大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸出。根據(jù)上式,壓力為:p最大=2-或r2 p最大-g h最大(3)對于同一套表面張力儀，毛細(xì)管半徑r,測壓液體密度、重力加速度都為定值，因此為了數(shù)據(jù)處理方便，將上述因子放在一起，用儀器常數(shù)K來表示，上式簡化為:Kh最大式中的儀器常數(shù) K可用已知表面張力的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測得，通常用純水來標(biāo)定。6、溶液中的表面吸附-吸附現(xiàn)象

7、的發(fā)生在定溫下純液體的表面張力為定值，只能依靠縮小表面積來降低自身的能量。通常見到小露珠為球形，為什么？而對于溶液， 既可以改變其表面張力， 也可以減小其面積來降低溶液表面的能量。通常以降低溶液表面張力的方法來降低溶液表面的能量。當(dāng)加入某種溶質(zhì)形成溶液時，表面張力發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的性質(zhì)和加入量的多少。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時，表面層中溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大；反之，溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時，它在表面層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低，這種表面濃度與內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。在指定的溫度和壓力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度之間的關(guān)系遵守吉布斯

8、(Gibbs)吸附方程:式中，r為溶質(zhì)在表層的吸附量；b為表面張力；C為吸附達(dá)到平衡時溶質(zhì)在溶液中的濃度。G > 0 ,正吸附，溶液表面張力降低：表面活性物質(zhì)。G< 0 ,負(fù)吸附，溶液表面張力升高：非表面活性物質(zhì)濃度達(dá)一定值，溶液界面形成飽和單分子層吸附 7、吸附量的計算(1)、當(dāng)界面上被吸附分子的濃度增大時，它的排列方式在改變著，最后，當(dāng)濃度足夠大時，被吸附分子蓋住了所有界面的位置，形成飽和吸附層。這樣的吸附層是單分子層，隨著表面活性物質(zhì)的分子在界面上愈益緊密排列，則此界面的表面張力也就逐漸減小。(2)、以表面張力對濃度作圖，可得到(T-C曲線。開始時b隨濃度增加而迅速下降，以后

9、的變化比較緩慢。在b-C曲線上任選一點(diǎn)a作切線，得到在該濃度點(diǎn)的斜率經(jīng)，代入吉布斯吸附等溫式，得到該濃度時的表面超量（吸附量），同理，可以得到其它濃度下對應(yīng)的表面吸 度量，以不同的濃度對其相應(yīng)的r可作出曲線，r = f （C）稱為吸附等溫線。圖31g卡面試力和坡度關(guān)系8、被吸附分子截面積計算（1）、飽和吸附量r8：對于正丁醇的吸附等溫線，滿足隨濃度增加，吸附量開始顯著增加，到一定濃度時，吸附量達(dá)到飽和，因此可以從吸附等溫線得到正丁醇的飽和吸附量r8。（2）、也可以假定正丁醇在水溶液表面滿足單分子層吸附。根據(jù)朗格謬爾（Langmuir）公式：二 kC一 1 kC表8為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪

10、滿一層分子時的r,C _ kC+1 _ C 1kk以c/ r對c作圖，得一直線，該直線的斜率為1/ roo0被吸附分子的截面積：so = 1 /（ r8N） （ n為阿佛加得羅常數(shù)）。吸附層厚度：溶質(zhì)的密度P ,分子量M、儀器與試劑最大泡壓法表面張力儀 1套；吸耳球1個；移液管(50mL , 1支、1mL , 1支)；燒杯(500mL , 1 只)；溫度計1支。正丁醇(A.R.);蒸儲水。四、實(shí)驗(yàn)步驟(1)儀器準(zhǔn)備與檢漏將表面張力儀容器和毛細(xì)管洗凈、烘干。在恒溫條件下將一定量蒸儲水注入表面張力儀中，調(diào)節(jié)液面，使毛細(xì)管口恰好與液面相切。打開抽氣瓶活塞，使體系內(nèi)的壓力降低，當(dāng)U型管測壓計兩端液面出

11、現(xiàn)一定高度差時，關(guān)閉抽氣瓶活塞，若 23min內(nèi)，壓差計的壓差不變，則說明體系不漏氣，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(2)儀器常數(shù)的測量打開抽氣瓶活塞，調(diào)節(jié)抽氣速度，使氣泡由毛細(xì)管尖端成單泡逸出，且每個氣泡形成的時間約為510 so當(dāng)氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓差計顯示最大壓差時，記錄最大壓力差，連續(xù)讀取三次，取其平均值。再由手冊中，查出實(shí)驗(yàn)溫度時，水的表面張力吟則儀器常數(shù)h最大(3)表面張力隨溶液濃度變化的測定用移液管分別移取 0.0500mL , 0.150mL , 0.300mL ,0.600mL ,0.900mL ,1.50mL ,2.50mL ,3.50mL , 4.50mL正丁醇，移入9個50mL的

12、容量瓶，配制成一定濃度的正丁醇溶液。然后由稀到濃依次移取一定量的正丁醇溶液，按照步驟2所述，置于表面張力儀中測定某濃* *度下正丁醇溶液的表面張力。隨著正丁醇濃度的增加，測得的表面張力幾乎不再隨濃度發(fā)生變化。五、數(shù)據(jù)記錄與處理 計算儀器常數(shù)K和不同濃度正丁醇溶液的表面張力叫繪制b - C等溫線。溫度 t=25.5 CAh 最大=0.0695m 水=71.82 x10-3N/mK=/ +小 最大=(71.82 X10-3 -0.0695) N/m 2=1.0334 X10-2 N/m 2正丁醇的密度p =0.8097g/mL, 相對分子質(zhì)量M=74.12g/mol由產(chǎn)K X小最大 和c= pV/

13、 (50 X10-3L?M )進(jìn)行計算：利用儀器常數(shù)K可計算不同濃度正丁醇溶液的表面張力為：CV/mL (mol/L)Ah1(cm)Ah2(cm)Ah3(cm)Ah 平均值(cm)0.0500.01096.856.806.846.830.1500.03286.496.506.456.480.3000.06575.755.705.725.720.6000.13115.085.105.155.110.9000.19674.504.604.554.551.5000.32784.033.963.993.992.5000.54643.903.803.833.843.5000.76503.433.443.

14、403.424.5000.98353.063.003.033.03V/mL0.0500.1500.3000.6000.9001.502.503.504.50C/ (10-2mol/L )1.0923.2776.55513.1119.6632.7754.6276.4798.32”(10 -2 N/m)7.0586.6965.9145.2804.7024.1263.8743.5373.131圖3b-c等溫線圖 根據(jù)吉布斯吸附等溫式，求出根據(jù)公式c/ r。尸 -C- ()TRT dCC/10 -21.0923.2776.55513.1119.6632.7754.6276.4798.321710 -6

15、0.72792.66604.42434.88435.23423.36322.96465.92267.36551229974318423c/ r15002214816268413756179129115133488 繪制-C, C/ PC等溫線，求飽和吸附量P8,并計算正丁醇分子截面積So和吸附單分子層厚度do11 IB II'1T I' I" I1 I1 I11C000.10.20.30.4 OS 0.60.70.80.9 U圖4PC等溫線200000 r / C0 r! if rr i1 i1 i1 ir ip i* i IO.a 0.1020.30.40.6 。看

16、 070.90.91.0* *圖5 C/ PC等溫線由圖5的r/C C等溫線可得直線斜率 k=157110.82303,故飽和吸附量 r 8 =6.3649 X10-6mol ?m-2被吸附分的子截面積So=1/( Too Na)=1/6.3649 X10-6mol ?m-2 X6.02 X10 23mol -1 )=2.61 乂10-19m2這與文獻(xiàn)值0.274-0.289nm2較為接近。.吸附層厚度 d= 以M/ p=(6.3649 X10-6 X74.12)/ (0.8097 X106)=5.83 X10-10 m=0.583nm六、實(shí)驗(yàn)討論本實(shí)驗(yàn)是通過最大泡壓法測定溶液的表面張力。通過

17、測定一系列不同濃度的正丁醇溶液形成穩(wěn)定勻速的氣泡時的最大壓力差，求得正丁醇溶液對應(yīng)的表面張力、飽和吸附量、被吸附分子的截面積、吸附層厚度，測定結(jié)果是正吸附。(1)在測定過程出現(xiàn)了以下幾種非正常狀況：1 .正丁醇溶液氣泡不單個勻速產(chǎn)生，而漏斗中水的滴速已經(jīng)盡可能調(diào)到了最小，毛細(xì)管已經(jīng)清洗潔凈，氣泡不單個勻速產(chǎn)生的原因可能是毛細(xì)管底端不平整或受損，但由于毛細(xì)管沒有備用的，所以測量時未更換新的毛細(xì)管。2 .正丁醇溶液氣泡產(chǎn)生速率過快，氣泡產(chǎn)生速率一般以8s12個為宜，由于上述原因，氣泡不單個勻速產(chǎn)生，而是每次積攢三四個氣泡連續(xù)冒出，這樣會造成測定壓力值偏大。3 .隨著濃度的增大，正丁醇越來越難以產(chǎn)生

18、氣泡，可能的是因?yàn)檎〈嫉恼扯仍龃螅援a(chǎn)生氣泡能力減小。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，P -C等溫線圖擬合直線線性較差，其中正丁醇濃度為0.5464mol/L 時的點(diǎn)偏離較大，產(chǎn)生這樣現(xiàn)象的原因可能是： 系列待測溶液測定時產(chǎn)生氣泡速率不完全一致，而測定時氣泡不是單個勻速產(chǎn)生，導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)。(2)本實(shí)驗(yàn)應(yīng)該注意的事項(xiàng)：1 .首先要保證裝置的氣密性，所以在玻璃裝置的某些接口處涂上凡士林。2 .所用的毛細(xì)管必須干凈，干燥，應(yīng)保持垂直，其管口剛好與液面相切。3 .讀取壓力計的壓差時，應(yīng)取氣泡單個溢出時的最大壓力差。4 .張力管及毛細(xì)管的洗滌要徹底。如果毛細(xì)管洗滌不干凈，不僅影響表面張力值，而且會使氣泡不能有規(guī)律地單個連續(xù)逸出。要么就是一個氣泡也沒有， 要么就是兩個甚至更多個同時 逸出，嚴(yán)重影響測量的進(jìn)行。5 .毛細(xì)管插入溶液中的深度直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，這是因?yàn)槿芤旱撵o壓力會增加對氣泡壁的壓強(qiáng)，為了減少靜壓力的影響，應(yīng)盡可能減少毛細(xì)管的插入和深度，使插入深度與液面剛好相切。6 .在實(shí)驗(yàn)中，按濃度從小到大的順序測定，降低不同濃度溶液之間的影響。(3)本實(shí)驗(yàn)評注與拓展：本實(shí)驗(yàn)采用最大泡壓法測溶液表面張力，實(shí)驗(yàn)中采用的是減壓法， 由于實(shí)驗(yàn)以